西南交大聯(lián)合華中科技、中車(chē)工業(yè)研究院、中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)、北理工以及曼徹斯特大學(xué)發(fā)表了聯(lián)合綜述，總結(jié)了當(dāng)前鐵路行業(yè)利用增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，對(duì)增材制造部件的疲勞評(píng)估進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)，詳細(xì)討論了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的潛在設(shè)計(jì)方法，包括公認(rèn)的結(jié)構(gòu)完整性和未來(lái)前景。研究結(jié)果不僅有利于鐵路工程增材制造技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，也有利于實(shí)現(xiàn)金屬部件的輕量化設(shè)計(jì)，改進(jìn)性能評(píng)估和安全檢查策略。

上文總結(jié)了增材制造技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)，涉及使用激光熔覆修復(fù)表面損壞、制造不再生產(chǎn)的零件、打印復(fù)雜零件以及開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度材料等等，?從而能夠制造復(fù)雜零件、節(jié)省材料、縮短交貨時(shí)間和快速設(shè)計(jì)迭代。本文將主要介紹增材制造技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)與策略、鐵路行業(yè)增材制造路線圖。

(a) 最高設(shè)計(jì)時(shí)速600公里/小時(shí)的高速磁浮交通系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架；(b) SLM生產(chǎn)的磁懸浮臂；(c) HRAM生產(chǎn)的空氣彈簧安裝梁；(d) HRAM 生產(chǎn)的 ZL205A 合金的機(jī)械性能，以及驗(yàn)收指數(shù)

三. 增材制造技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)與策略

與其他快速發(fā)展的技術(shù)一樣，增材制造在鐵路領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用面臨著重大挑戰(zhàn)。與成熟的傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造技術(shù)仍然需要提高生產(chǎn)力和質(zhì)量控制。大多數(shù)科學(xué)文獻(xiàn)來(lái)自大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，因此缺乏實(shí)際應(yīng)用所需的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)分析。相比之下，企業(yè)申請(qǐng)了大量專(zhuān)利，重要的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新并未公開(kāi)。因此，增材制造技術(shù)的研究及其在鐵路行業(yè)的技術(shù)應(yīng)用還存在一定差距，仍存在關(guān)鍵的科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

（1）增材制造零件結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵

增材制造技術(shù)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了前所未有的解決方案。然而，將這些優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到大型承重鐵路部件需要更深入了解這些材料的機(jī)械性能。增材制造工藝的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、加工引起的缺陷、表面質(zhì)量差和殘余應(yīng)力特征仍然知之甚少。探索這些因素的性質(zhì)及其對(duì)鐵路部件在其生命周期中的影響是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

(a) 新開(kāi)發(fā)的合金粉末，命名為CCRC-HP-1；(b)不同SLM鋁合金的拉伸性能比較；(c) 使用CCRC-HP-1 合金粉末的 SLM 打印部件

SLM制造的高速磁懸浮交通轉(zhuǎn)向架磁懸浮臂的剩余壽命評(píng)估

（2）資質(zhì)認(rèn)證

考慮到復(fù)雜的參數(shù)空間等因素，打印高密度、可預(yù)測(cè)性能、高可靠性和穩(wěn)定性的零件是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)。增材制造鐵路部件的迭代生命周期包括設(shè)計(jì)、打印機(jī)、原料、參數(shù)、后處理、性能測(cè)試方法、性能評(píng)估和工程應(yīng)用。每個(gè)生命周期及其子步驟都會(huì)對(duì)隨后的最終零件性能產(chǎn)生影響。還應(yīng)注意的是，增材制造工藝選擇是一個(gè)集成的迭代活動(dòng)。例如，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，構(gòu)建因素包括零件尺寸、復(fù)雜性、特征分辨率、構(gòu)建速率、原料、多合金、工藝經(jīng)濟(jì)性和成熟度。對(duì)于每種合金的使用，每種增材制造工藝都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，而且原料的可用性也各不相同?？梢岳斫獾氖?，考慮到安全影響，在鐵路部門(mén)引入增材制造技術(shù)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的制定至關(guān)重要。因此，資質(zhì)成為增材制造零件生產(chǎn)和應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

影響增材制造鐵路組件生命周期因素的詳細(xì)流程圖

目前，缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)意味著無(wú)法保證給定增材制造產(chǎn)品的尺寸精度和性能。增材制造標(biāo)準(zhǔn)，包括原料、工藝、測(cè)試技術(shù)和質(zhì)量控制，主要由ISO和ASTM承擔(dān)。盡管已經(jīng)發(fā)布了一系列增材制造標(biāo)準(zhǔn)，但疲勞性能和缺陷容限標(biāo)準(zhǔn)的缺乏使得增材制造認(rèn)證變得困難，特別是對(duì)于特定行業(yè)。與鐵路行業(yè)相比，增材制造標(biāo)準(zhǔn)在航空航天行業(yè)取得了進(jìn)一步進(jìn)展，這也是航空航天領(lǐng)域引領(lǐng)增材制造市場(chǎng)的主要原因之一。然而，與鐵路領(lǐng)域相關(guān)的增材制造標(biāo)準(zhǔn)的制定仍處于起步階段。

（3）經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性

除了上面討論的科學(xué)和認(rèn)證問(wèn)題外，鐵路行業(yè)目前和未來(lái)對(duì)增材制造產(chǎn)品的應(yīng)用障礙將是經(jīng)濟(jì)方面的考慮。對(duì)于鑄造和沖壓等傳統(tǒng)工藝，零件通過(guò)模塑或加熱或加壓成型制成的，導(dǎo)致初始成本高昂。隨著零件數(shù)量的增加，高昂的成本得到了分配，從而迅速降低了單位成本。由于避免了新零件的額外成本，因此單位成本不會(huì)隨增材制造零件的數(shù)量而顯著變化。因此，它比原型生產(chǎn)中的其他制造工藝便宜得多。

第一個(gè)增材制造的鐵路部門(mén)安全關(guān)鍵部件（制動(dòng)懸架連桿）

降低維護(hù)成本在鐵路行業(yè)尤為重要，因?yàn)殍F路行業(yè)的設(shè)計(jì)和制造迭代速度很慢，基于這些要求，減少實(shí)物庫(kù)存中的零件庫(kù)存并簡(jiǎn)化物流和整個(gè)供應(yīng)鏈，將使增材制造技術(shù)在備件應(yīng)用中更具吸引力

四. 鐵路行業(yè)增材制造路線圖

增材制造工藝技術(shù)的成熟、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及競(jìng)爭(zhēng)前的合作，是繪制鐵路行業(yè)增材制造路線圖的協(xié)同力量。在短期內(nèi)，全球鐵路運(yùn)營(yíng)商和制造商都可以采用增材制造進(jìn)行翻新、維修和維護(hù)。修理傳統(tǒng)制造的零件或制造備件，是減輕零件過(guò)時(shí)或交貨時(shí)間長(zhǎng)問(wèn)題的機(jī)會(huì)。

增材制造高鐵部件一體化設(shè)計(jì)-制造-評(píng)價(jià)框架流程圖，主要包括四個(gè)主要步驟

從中期來(lái)看，增材制造可用于傳統(tǒng)零件的重新設(shè)計(jì)、零件整合、拓?fù)鋬?yōu)化或晶格結(jié)構(gòu)的使用。在這里，驅(qū)動(dòng)因素轉(zhuǎn)向了對(duì)輕量化、減少材料浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本和提高性能的需求。簡(jiǎn)化了冗長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間尺度，以適應(yīng)增材制造實(shí)現(xiàn)的更輕巧、更靈活的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。

增材制造路線圖顯示增材制造在鐵路行業(yè)不同發(fā)展時(shí)期的可能應(yīng)用

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，增材制造提供復(fù)雜的幾何形狀、結(jié)構(gòu)重量減輕、定制設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期時(shí)間縮短、設(shè)計(jì)迭代快速和性能增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。增材制造帶來(lái)的復(fù)雜性不僅延伸到零件的幾何形狀，還延伸到零件內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)，可能具有特定位置的屬性。開(kāi)發(fā)更快、更安全和更可靠的鐵路系統(tǒng)是增材制造應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力。未來(lái)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用可以充分利用增材制造的優(yōu)勢(shì)。多材料和多功能增材制造也引起了極大的興趣，它有可能使設(shè)計(jì)人員能夠定制組件。例如，增材制造工藝可以生產(chǎn)用于超高速軌道的部件，根據(jù)鐵路軌道支架內(nèi)部的應(yīng)力分布改變孔隙率，可以生產(chǎn)具有梯度密度的定制軌道支架等。

結(jié)論

本文概述了增材制造在鐵路行業(yè)的應(yīng)用和研究，以及與增材制造鐵路部件相關(guān)的挑戰(zhàn)和前景。主要優(yōu)勢(shì)在于制造復(fù)雜零件、節(jié)省材料、縮短交貨時(shí)間和快速設(shè)計(jì)迭代。綜述了增材制造在鐵路行業(yè)的近期研究和應(yīng)用。目前，增材制造在鐵路行業(yè)的應(yīng)用還在很大程度上處于工程化的道路上。使用原始零件幾何形狀修復(fù)傳統(tǒng)制造的零件或制造備件是目前的主要應(yīng)用。由于傳統(tǒng)零件不是為增材制造設(shè)計(jì)的，因此從材料特性的角度來(lái)看，增材制造替換零件將與原始零件不同。增材制造技術(shù)在鐵路工程中缺乏認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)、零件的結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題等可靠性差和其他限制是其廣泛應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。然而，增材制造在復(fù)雜幾何形狀、結(jié)構(gòu)減重、定制化方面具有極佳的設(shè)計(jì)潛力并支持快速設(shè)計(jì)迭代。未來(lái)，隨著基于可靠結(jié)構(gòu)完整性方法的增材制造材料、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，增材制造將被用于建設(shè)更快、更安全、更可靠的軌道交通系統(tǒng)。

參考：Structural integrity issues of additively manufactured railway components: Progress and challenges

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